隧道超前大管棚全套管跟進式施工方法

摘要：文章以來賓至都安高速公路鳳凰1號隧道及鳳凰2號隧道施工為例，對超前大管棚施工工藝進行了改進、創新，提出在鉆機鉆進過程中，管棚鋼管跟隨著鉆頭與鉆桿一起同步鉆進，從而使管棚鋼管能及時對成孔起到護壁作用，有效地防止了鉆孔的坍孔。該工藝施工簡便，超前支護效果出色，能避免塌孔、卡管，達到一次成孔，提高成孔效率，有效解決了在不穩定地層中鉆孔成孔、送管困難的問題，且管棚安裝位置可調整控制，施工質量有保證。

關鍵詞：隧道；大管棚；全套管

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0 引言

在新奧法施工隧道時，對于自穩性差的地層，引孔頂入法施工的超前大管棚施工是常用的超前支護方式，但是該方法在不穩定地層中鉆孔成孔困難，且即使成好孔，在送管頂入過程中也極易出現因觸碰摩擦成孔孔壁造成坍孔卡管，一旦出現此問題就需要反復鉆孔或拔出已插入的管棚鋼管重新鉆孔，施工難度大、管棚安裝位置與長度的施工質量難保證、花費成本高、處理時間長。

來賓至都安高速公路起點樁號為K223+564.742，終點樁號為K292+080，全長約66.462 463 km，總造價約60億元。本項目主線按四車道高速公路標準修建，設計時速采用120 km/h，路基寬度為26.5 m，施工工期為42個月。鳳凰1#隧道及鳳凰2#隧道施工中，對超前大管棚施工工藝進行了改進、創新，提出在鉆機鉆進過程中，管棚鋼管跟隨著鉆頭與鉆桿一起同步鉆進，從而使管棚鋼管能及時對成孔起到護壁作用，有效地防止了鉆孔的坍孔。該工藝施工簡便，超前支護效果出色，能避免塌孔、卡管，達到一次成孔，提高成孔效率，有效解決在不穩定地層中鉆孔成孔、送管困難的問題，且管棚安裝位置可調整控制，施工質量有保證。

本方法主要適用于隧道穿越坡積松散體、松散破碎帶、軟弱地層、塌方堆積體等自穩性差地層的超前支護，也可用于自穩性差、易塌孔的地層的邊坡錨桿鉆進。本方法超前支護效果良好，有利于保持土體穩定，減少水土流失，防止因水土流失而導致大量的泥漿水污染附近田地及水源，很大程度上減少了對生態環境的破壞，且能避免因管棚施工質量問題引起后續施工次生災害的發生。

1 工藝原理和特點

1.1 工藝原理

隧道跟進式管棚施工工法工藝的主要材料由管靴、管節、接箍組成。管節為寶鋼R780，每節長1.5 m，兩端設有內螺紋。管棚鉆孔采用C6XP多功能鉆機，鉆頭選用與管棚直徑大小相適應的偏心鉆頭［1］。管靴連接管節，管節之間用接箍相連，鉆頭與鉆桿穿過管靴、管節、接箍，鉆頭卡住管靴的內壁牽引著管靴、管節、接箍鉆進，隨著鉆頭與鉆桿的鉆進牽引，逐節安裝接箍和管節接長至設計長度，然后從管靴、管節、接箍中間退出鉆頭和鉆桿，最后安裝止漿閥進行注漿。見圖1。

采用隧道跟進式管棚與常規引孔頂進式管棚在超前支護的效果一致，對地層能起到有效的支撐加固作用，能有效地控制地層變形與沉降，能確保管棚施工質量。同時，隧道跟進式管棚施工工藝簡單、施工方便，提升了施工效率和管棚鋼管安裝精度控制，在保證質量、安全的前提下大大加快了施工進度，能避免因管棚施工質量問題引起的后續施工次生災害發生與處置，施工成本可控性強。

1.2 工藝特點

隧道超前支護中采用跟管鉆進技術、安裝大管棚，能承載較大的松散荷載，保證地層穩定，提高隧道開挖的安全性，是一種安全可靠、效果顯著的支護施工技術。

隧道施工中，常規的引孔頂入法施工管棚，鉆孔成孔難、易塌孔縮孔，導致送管難，往往達不到理想的效果。采用跟管鉆進管棚施工工藝能做到鉆孔與送管同步進行，管棚鋼管隨著鉆頭鉆桿的鉆進，逐節送入鉆孔，能及時對鉆孔進行護壁，避免卡鉆，解決了送管難的問題；同時管棚鋼管跟隨鉆頭牽引深入地層，鋼管插入地層的施工精度可通過鉆孔精度進行調整，施工質量得到了保障，施工效率及速度遠高于常規送管。

跟進式應用在不穩定地層中的管棚超前支護效果良好，可以有效控制地表沉降，對地層擾動小，特別是在洞口超前支護的應用，為“零開挖”進洞提供了安全保障，減少了對生態環境的破壞，符合人們對環保的要求。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 隧道跟進式超前大管棚施工工藝流程（圖2）

2.2 主要施工工序的操作要點

2.2.1 施工準備

對施工工藝流程進行部署，現場施工與實驗室同時進行相關工作。現場主要負責隧道跟進式管棚施工，遇到問題及時反饋，試驗室需對配制漿液的原材料進行試驗檢測，合格的材料才能進行漿液的配合比選定和試驗，確定漿液的配合比，等待注漿作業時進行現場指導漿液制備，注漿效果不佳時，應及時調整注漿參數。

2.2.2 測量定位、洞口施工

邊仰坡采用錨噴支護，鉆孔安裝長度為3.5 m、直徑為42 mm、壁厚為4 mm的小導管，小導管設置間距為100 cm×100 cm。小導管灌注水灰比為（0.3～0.8）∶1的水泥凈漿，掛8鋼筋網，鋼筋網格間距為25 cm×25 cm，最后噴射10 cm厚C20早強混凝土。

2.2.3 套拱施工

將127 mm×4 mm的導向管用16鋼筋箍焊在工字鋼拱架上，外插角度為0.5°。導向孔的鉆進必須時刻觀察探頭角度變化情況，及時糾偏。按照套拱設計尺寸安裝套拱模板，進行套拱混凝土澆筑。混凝土澆筑時，套拱左右側需對稱澆筑，左右側混凝土高差＜0.5 m。

2.2.4 管棚施工

第一節鋼管需采用兩種以上不同長度的鋼管，相鄰管棚孔需錯開使用，以保證50%以上的接頭不在同一斷面。

先將管棚孔從左至右按順序進行編號，以先高后低、奇偶數孔交為原則。管棚鋼管應注意打孔，應呈梅花狀交錯布置，同一平面孔距控制在30 cm，環向間距控制在15 cm，孔口大小應控制在15 mm。

2.2.5 安裝止漿閥

在管棚鋼管管口上焊接好止漿閥，進行止漿處理。對止漿閥的焊接進行檢查，防止焊接達不到要求，在注漿過程中出現脫落。

2.2.6 噴射混凝土封閉掌子面

將開挖工作面用噴射混凝土封閉防止跑漿，要求噴射混凝土噴射密實，完全封閉掌子面，對噴射完后的掌子面進行檢查，對不密實的部位進行補噴處理。

2.2.7 壓水試驗

待噴射掌子面的混凝土達到強度要求，進行壓水試驗，從止漿閥處進行注水，查看壓水過程中是否有水從掌子面或其他地方大量流出，如有，應在壓水試驗后，進行封閉處理，之后再就行壓水試驗，直至無水流出或無大面積滲水出來為止。

2.2.8 注漿作業

注漿采用后退式注漿，遵循“先兩側后中間”“跳孔注漿”“由稀到濃”的原則，開始時注漿的漿液濃度要低一些，逐漸加濃至設計濃度，注漿應連續不間斷，壓力達到設計壓力后穩壓時間為1～5 min。注漿后，及時清除干凈管棚鋼管內的水泥漿液。

2.2.9 注漿效果分析

對管棚的注漿的效果進行分析，通過對掌子面及周邊進行鉆芯，查看漿液是否與土體結合，對效果不佳的，進行參數調整，直至合格為止。

2.2.10 管棚驗收

施工過程中，對鋼管材料、管棚搭接、孔位、孔徑、角度、孔深、漿液配合比等關鍵因素驗收完成后方可進行下一步工序，注漿完成后進行總體驗收。

3 質量控制技術措施

由項目部對現場工人進行施工技術交底，對鉆孔點的控制措施進行重點交底，通過培訓提高工人的操作水平。

材料嚴格控制質量標準，檢查復核質量保證資料，做到工藝檢查，設備檢查，施工操作檢查，建立嚴格的驗收把關制度。

跟進式鉆孔前可適當探明前方地層情況，開鉆前檢查鉆機平穩性，保證鉆機的水平度。

嚴格按照施工配合比拌制漿液，對漿液的攪拌時間、漿液質量、注漿壓力和注漿量進行重點控制。

嚴格按要求進行二次注漿，確保注漿跟進式的填充質量，整體完整性。

注漿過程需要按實際情況做好每一根跟進式的注漿記錄，注漿方量與理論數據進行對比。建立交接班文字記錄制度，確保交接好上一班施工的每一個參數。

施工前，需經過實驗室對108 mm×6 mm鋼花管和壓漿料進行取樣檢測或送檢，提供確認的原材料力學性能檢測報告，不合格的不得將原材料用于施工現場。

注漿前，可對隧道跟進式管棚的長度進行檢驗，以確保成型后起到超前支護作用。

注漿要求及參數為：注漿采用后退式注漿，漿液為水泥漿，水泥漿水灰比為1∶1，注漿壓力初壓為0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa，壓力穩定時間為1～5 min，漿液擴散半徑≥0.5 m。注漿材料需要根據檢測頻率制作漿液實驗快，壓漿時，每一工作班應留取不少于3組試樣，每組試件3個，標準養生28 d，檢查其抗壓強度作為壓漿材料質量的評定依據。

4 工程應用效果

來賓至都安高速公路鳳凰1#隧道都安端、鳳凰2#隧道來賓端、鳳凰2#隧道都安端洞口土層自穩能力差，為加快施工進度、確保管棚超前支護效果，以達到隧道進洞安全，應用了跟進式管棚。管棚共33根/洞口×28 m/根×6洞口=5 544 m，6個洞口采用傳統鋼管管棚工期為270 d，跟進式管棚工期為180 d。該工法在規范、標準、質量、安全得到了較好的效果，同時取得了良好的安全、經濟和社會效益。見表1～2。

通過表1～2兩種工藝的直接成本對比可知，雖然跟進式管棚相對造價高，相比傳統做法增加611 550元，從安全、質量和效率上，增加這些成本是值得的。跟進式管棚共節約工期90 d（6個洞口，每個洞口平均節約15 d），間接地降低了施工成本。

施工的隧道洞口處于松散破碎地層，且處治雨季，應用該工法超前支護效果良好，有利于保持土體穩定，減少水土流失，防止因水土流失而導致大量的泥漿水污染附近田地及水源，很大程度上減少了對生態環境的破壞，取得了較好的環保效益。

施工現場均滿足現場施工要求和綠色施工“環境保護”的要求，達到了綠色施工示范工程的實施效益。獲得了監理單位和建設單位的一致好評。

該方法在質量、安全、進度得到了較好的效果，同時取得了良好的社會效益和經濟效益，具有較高的可靠性和實用性。

5 結語

（1）改進后的隧道超前大管棚全套管跟進式施工方法相比傳統的引孔頂入法施工的超前大管棚施工方法，費用增加15%左右。但應用新方法是基于地層自穩性差這一前提而提出來的，安全性大大提升，是綜合成本與安全后更優的選擇。

（2）改進后的隧道超前大管棚全套管跟進式施工方法相比傳統的引孔頂入法施工的超前大管棚施工方法，縮短了工期，也是變相地節約了成本。

綜上，在山嶺隧道建設中，隧道洞口段設計多數采用大管棚進行超前支護，而隧道洞口往往處于松散破碎地層，使用傳統的引孔頂入法施工管棚，施工難度大、花費成本高，處理時間長，反復的鉆孔、退鉆、接管增加了機器的使用率，增加了燃油的消耗。

采用隧道超前大管棚全套管跟進式施工方法，一次成孔，減少了反復鉆孔退鉆、接管的步驟，減少了燃油的消耗，且根據現場實際開挖中揭示的圍巖情況，施工后的隧道超前大管棚形成的輪廓圓弧規則，隧道超前大管棚排列較整齊，形成了一個完整的超前支護環。超前大管棚注漿增大了抗彎強度，同時增加了松散地層的粘結力。隧道開挖后地表，拱頂沉降均較小，既確保了隧道結構的施工質量和施工安全，又能加快施工進度，間接性產生了明顯的經濟效益。

參考文獻：

［1］鄭寰宇.跟進式管棚在隧道洞口松散破碎地層中的應用［J］.西部交通科技，2021（4）：128-130.